细胞生物学第十二章

1、第十二章第十二章 细胞增殖及其调控细胞增殖及其调控细胞增殖：细胞物质积累与细胞分裂的循环过程细胞增殖：细胞物质积累与细胞分裂的循环过程1）掌握细胞周期及其相关的概念；）掌握细胞周期及其相关的概念；2）掌握有丝分裂和减数分裂过程中）掌握有丝分裂和减数分裂过程中的主要事件；的主要事件；3）掌握）掌握MPF、周期蛋白与、周期蛋白与CDK激激酶以及在细胞周期调控中的作用机酶以及在细胞周期调控中的作用机理。理。本章重点：本章重点：第一节第一节 细胞周期概述细胞周期概述细胞周期：细胞由一次分裂结束开始，细胞周期：细胞由一次分裂结束开始，经过物质积累过程，直到下一次分裂经过物质积累过程，直到下一次分裂结束为

2、止，称为一个细胞周期。在正结束为止，称为一个细胞周期。在正常情况下，沿着常情况下，沿着G1 S G2 M期的期的路线运转。路线运转。标准的细胞周标准的细胞周期期 、时相、时相细胞周期的长细胞周期的长短取决于短取决于G1期，期，不同细胞类型不同细胞类型之间差异较大。之间差异较大。不是每种细胞都不是每种细胞都有标准的细胞周有标准的细胞周期，如早期的胚期，如早期的胚胎细胞没有胎细胞没有G1和和G2期。期。表表- 某些真核生物的细胞周期时间某些真核生物的细胞周期时间 细胞周期各时相的合成活动细胞周期各时相的合成活动 ： G1是细胞周期第一个间隙，主要合成是细胞周期第一个间隙，主要合成rRNA、蛋白、蛋

3、白质、脂类和碳水化合物，它为质、脂类和碳水化合物，它为DNA合成作准备合成作准备 (gap1)。 S是是DNA 合成时期合成时期(synthesis phase)。组蛋白。组蛋白, DNA复制所需的酶。复制所需的酶。 G2是是DNA合成后期至核分裂开始之间的第二个间合成后期至核分裂开始之间的第二个间隙隙(gap2)。大量合成。大量合成ATP、RNA、蛋白质、蛋白质, 包括微包括微管蛋白和成熟促进因子管蛋白和成熟促进因子MPF等，为有丝分裂作准等，为有丝分裂作准备。备。 M 是细胞分裂时期是细胞分裂时期 (mitosis)。RNA合成停止合成停止, 蛋蛋白质合成减少白质合成减少, 以及染色体高度

4、螺旋化。以及染色体高度螺旋化。 细胞周期检验点细胞周期检验点细胞周期检验点是控制细胞由一个时期向下一个细胞周期检验点是控制细胞由一个时期向下一个时期正常运转的关卡。主要包括：时期正常运转的关卡。主要包括：G1/S检验点检验点: 酵母中称酵母中称start点，哺乳动物中称点，哺乳动物中称R点点(restriction point)，控制细胞由，控制细胞由G1进入进入DNA合成合成期。期。 DNA是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞体积是否足够大？体积是否足够大？S期检验点：期检验点：DNA复制是否完成？复制是否完成？G2/M检验点：检验点：决定细胞一分为二的控制点

5、，相关的决定细胞一分为二的控制点，相关的事件包括：事件包括：DNA是否损伤？细胞体积是否足够大？是否损伤？细胞体积是否足够大？中中-后期检验点后期检验点：纺锤体组装检验点。纺锤体组装检验点。 终末分化细胞终末分化细胞：不可逆地脱离细胞周不可逆地脱离细胞周 期，丧失分裂力，但保持生理活性的细期，丧失分裂力，但保持生理活性的细 胞。胞。根据细胞分裂行为，将真核生物细根据细胞分裂行为，将真核生物细胞分为胞分为3类类：连续分裂细胞（周期中细胞）连续分裂细胞（周期中细胞）: 在细胞周期中连续运转在细胞周期中连续运转 休眠细胞（休眠细胞（G0期细胞）期细胞）： 暂时脱离细胞周期，不进行增殖，但可暂时脱离细

6、胞周期，不进行增殖，但可 重新进入细胞周期。重新进入细胞周期。细胞周期同步化细胞周期同步化在自然过程中发生，或经人工选择或在自然过程中发生，或经人工选择或诱导致使细胞群体中细胞处于细胞周诱导致使细胞群体中细胞处于细胞周期的同一个时相。期的同一个时相。自然同步化：自然同步化：1多核体多核体 如粘菌如粘菌2某些水生动物的受精卵某些水生动物的受精卵 如海胆卵最初的如海胆卵最初的3 3次次分裂分裂3增殖抑制解除后的同步分裂：如真菌的休眠增殖抑制解除后的同步分裂：如真菌的休眠 孢子移入适宜环境，一起发芽，同步分裂。孢子移入适宜环境，一起发芽，同步分裂。人工同步化人工同步化选择同步化：选择同步化：用物理方

7、法将处于细胞周期中用物理方法将处于细胞周期中同一阶段的细胞从非同步的群体中分离出来。同一阶段的细胞从非同步的群体中分离出来。 1）有丝分裂选择法）有丝分裂选择法：对数增殖期的对数增殖期的细胞细胞与培养皿的与培养皿的附着性低，振荡脱离器壁收集培养。附着性低，振荡脱离器壁收集培养。优点：操作简单，同步化程度高，细胞不受药物伤害。优点：操作简单，同步化程度高，细胞不受药物伤害。缺点：获得的细胞数量较少（缺点：获得的细胞数量较少（1-2%1-2%）。）。2）细胞沉降分离法：）细胞沉降分离法： 不同时期的细胞体积不同，不同时期的细胞体积不同，可离心分离。可离心分离。优点：可用于任何悬浮培养的细胞优点：可

8、用于任何悬浮培养的细胞缺点：同步化程度较低缺点：同步化程度较低 诱导同步化诱导同步化1）DNA合成阻断法：选用合成阻断法：选用DNA合成的抑制剂，合成的抑制剂，可逆地抑制可逆地抑制DNA合成合成, ,最终将细胞群阻断在最终将细胞群阻断在S S期或期或G G1 1/S/S交界处。常用交界处。常用TdR双阻断法：双阻断法：优点：同步化程度高，适用于任何培养体系。优点：同步化程度高，适用于任何培养体系。缺点：产生非均衡生长，个别细胞体积增大。缺点：产生非均衡生长，个别细胞体积增大。2）中期阻断法：利用秋水仙素等破坏微）中期阻断法：利用秋水仙素等破坏微管的药物将细胞阻断在中期。管的药物将细胞阻断在中期

9、。 优点：无非均衡生长现象，优点：无非均衡生长现象， 缺点：可逆性较差。缺点：可逆性较差。 利用条件依赖性突变体利用条件依赖性突变体n在正常条件下，细胞表现出正常功能，但在正常条件下，细胞表现出正常功能，但在某些条件下，功能出现异常，表现出突在某些条件下，功能出现异常，表现出突变的表型，将此类突变体称为条件依赖性变的表型，将此类突变体称为条件依赖性突变体（株）。突变体（株）。n条件突变体（株）在限定条件下培养，可条件突变体（株）在限定条件下培养，可获得同步化的细胞。例如芽殖酵母，裂殖获得同步化的细胞。例如芽殖酵母，裂殖酵母在限定温度下，可以停留在酵母在限定温度下，可以停留在G2/M和和G1/S

10、交界处。交界处。 （无染色体变化，不均等核分裂，不出现纺锤体）无染色体变化，不均等核分裂，不出现纺锤体）第二节第二节 细胞分裂细胞分裂细胞分裂的方式：无丝分裂细胞分裂的方式：无丝分裂amitosis 有丝分裂有丝分裂mitosis 减数分裂减数分裂meiosis有丝分裂：有纺锤体形成和染色体有丝分裂：有纺锤体形成和染色体的变化，染色体单体被平分到子细的变化，染色体单体被平分到子细胞。胞。减数分裂：染色体复制一次而细胞减数分裂：染色体复制一次而细胞连续分裂两次，有纺锤体形成和染连续分裂两次，有纺锤体形成和染色体的变化，子细胞染色体数为母色体的变化，子细胞染色体数为母细胞的一半。细胞的一半。有丝分

11、裂过程及其主要特征：有丝分裂过程及其主要特征：间期：间期：G1、 S、 G2 中心体中心体G1期末开始复制，期末开始复制，S期细胞含一对中心体，期细胞含一对中心体，G2开始向两极分离，参与星体、纺锤体的形开始向两极分离，参与星体、纺锤体的形成。成。 染色质染色质DNA复制复制有丝分裂过程及其主要特征：有丝分裂过程及其主要特征：M期：前期、前中期、中期、后期、未期、胞期：前期、前中期、中期、后期、未期、胞质分裂质分裂前期：有丝分裂开前期：有丝分裂开始，始，染色体的凝集染色体的凝集, ,分裂极的确定分裂极的确定( (动粒动粒开始装配，纺锤体开始装配，纺锤体开始组装，星体出开始组装，星体出现现),

12、核仁的消失。核仁的消失。星体星体-围绕中心体向外辐射围绕中心体向外辐射状发射的微管组成的结构。状发射的微管组成的结构。前中期：核膜破裂到染色体列队排到赤道板之前中期：核膜破裂到染色体列队排到赤道板之前的这一阶段。核纤层解聚，染色体进一步缩前的这一阶段。核纤层解聚，染色体进一步缩短变粗，纺锤体微管开始与动粒结合。短变粗，纺锤体微管开始与动粒结合。 中期：染色体列队排到赤道板，中期：染色体列队排到赤道板， 染色体最短最粗染色体最短最粗。列队速度列队速度0.05-1um/秒秒 后期：姊妹染色体单体分离，分别向两极运动；后期：姊妹染色体单体分离，分别向两极运动； 动粒微管变短，染色体向两极运动（后动粒

13、微管变短，染色体向两极运动（后 期期A）；极性微管变长，两极距离变长）；极性微管变长，两极距离变长 （后期（后期B）。）。染色体运动速度染色体运动速度1-2um/分分后期后期A： 染色单体分离染色单体分离 后期后期B：两极延伸：两极延伸星体微管星体微管 动粒微管动粒微管 极性微管极性微管马达蛋白与微管系统共同协作，推动染色体分离马达蛋白与微管系统共同协作，推动染色体分离 未期：染色单体到达两极，开始去浓缩；未期：染色单体到达两极，开始去浓缩；动粒微动粒微 管消失，极性微管继续加长；核膜重新组管消失，极性微管继续加长；核膜重新组 装，核仁出现。装，核仁出现。胞质分裂：起始于后胞质分裂：起始于后期

14、，完成于末期。期，完成于末期。动物细胞在赤道板动物细胞在赤道板处形成分裂沟，分处形成分裂沟，分裂沟收缩。裂沟收缩。 胞质分裂：植胞质分裂：植物细胞在赤道物细胞在赤道面上形成中央面上形成中央板，以此为基板，以此为基础形成细胞壁。础形成细胞壁。第三节第三节 细胞的减数分裂细胞的减数分裂减数分裂是在有性生殖细胞（配减数分裂是在有性生殖细胞（配子）形成过程中发生的染色体数子）形成过程中发生的染色体数目减半的一种特殊的有丝分裂方目减半的一种特殊的有丝分裂方式。式。一次一次DNADNA复制，两次分裂，第一次复制，两次分裂，第一次是减数分裂，第二次是等数分裂。是减数分裂，第二次是等数分裂。染色体组数目减半染

15、色体组数目减半 发生遗传重组发生遗传重组减数分裂的主要特点：减数分裂的主要特点：MEIOSIS特点：特点：1.同源染色体要发生交换同源染色体要发生交换重组。重组。2.同源染色体组要发生随同源染色体组要发生随机组合。机组合。减数分裂期减数分裂期I的各个时期：的各个时期：前期前期I 细线期细线期 偶线期偶线期 粗线期粗线期 双线期双线期 终变期终变期 中期中期I后期后期I末期末期I减数分裂前间期：减数分裂前间期：S期长，期长，DNA复制不完全。复制不完全。主要事件是完成同源染色体的配对，在此主要事件是完成同源染色体的配对，在此过程中要发生配对同源染色体间的交换重过程中要发生配对同源染色体间的交换重

16、组。组。细线期（细线期（凝集期）凝集期）：染：染色体呈细线状；染色色体呈细线状；染色单体连接紧密，具有单体连接紧密，具有念珠状的染色粒；染念珠状的染色粒；染色体的端粒同核膜相色体的端粒同核膜相连。连。偶线期：同源染色体配偶线期：同源染色体配对，联会，二价体对，联会，二价体（bivalent） 、四分体、四分体（tetrad），联会复合），联会复合体；合成剩余体；合成剩余DNA。( Zyg-DNA, 0.3%)。联会复合体联会复合体 synaptonemal complex ，SC SC是偶线期两条同源染色是偶线期两条同源染色体配对形成的复合结构。体配对形成的复合结构。蛋白质和蛋白质和DNA片段

17、是片段是SC的的主要组成成分。主要组成成分。侧成分侧成分中央成分中央成分粗线期：同源染色体的粗线期：同源染色体的非姊妹染色单体间发生非姊妹染色单体间发生基因交换重组，染色体基因交换重组，染色体缩短变粗，合成部分缩短变粗，合成部分p-DNA，合成专用组蛋白，合成专用组蛋白并置换。并置换。双线期：重组结束，同源双线期：重组结束，同源染色体相互排斥、开始分染色体相互排斥、开始分离，交叉开始端化，但仍离，交叉开始端化，但仍有联系，不同程度解凝聚，有联系，不同程度解凝聚，基因转录活跃，联会复合基因转录活跃，联会复合体消失。体消失。重重组组结结染色体重组染色体重组-交换与交叉交换与交叉在同源染色体联会期间

18、，同源染色体要在同源染色体联会期间，同源染色体要 发生断裂和重接，在此过程中发生同源发生断裂和重接，在此过程中发生同源 染色体间的交换，在显微镜下可见到交染色体间的交换，在显微镜下可见到交 叉（叉（chiasmachiasma）。）。交叉交叉( (crossover)crossover)是交换的结果。是交换的结果。同源染色体的交换与交叉同源染色体的交换与交叉终变期：二价体显著变短。由于交叉端化过程终变期：二价体显著变短。由于交叉端化过程的进一步发展，故交叉数目减少，同源染色体的进一步发展，故交叉数目减少，同源染色体仅在端部连接。核仁开始消失，核被膜解体。仅在端部连接。核仁开始消失，核被膜解体。

19、减数分裂的前期减数分裂的前期I细线期细线期偶线期偶线期粗线期粗线期双线期双线期终变期终变期中期中期减数分裂期减数分裂期II中期中期II后期后期II末期末期II前期前期II描述各时相的重要描述各时相的重要事件事件有丝分裂是一次细胞周期有丝分裂是一次细胞周期, , DNADNA复制一次复制一次, , 分裂一次分裂一次, ,染染色体由色体由2 2n2n;n2n; 减数分裂是两次细胞周期减数分裂是两次细胞周期, ,DNADNA复制一次复制一次, ,细胞分裂两次细胞分裂两次, , 染色体由染色体由2 2n1n;n1n;有丝分裂中有丝分裂中, ,每个染色体是独立活动每个染色体是独立活动; ; 减数分裂减数

20、分裂, ,染色体要配对、联会、交换和交叉。染色体要配对、联会、交换和交叉。有丝分裂之前有丝分裂之前, ,经经DNADNA合成合成, ,进入进入G G2 2期期, ,才进行有丝分裂才进行有丝分裂; ;减数分裂之前减数分裂之前, ,DNADNA合成时间很长合成时间很长(99.7%(99.7%合成合成,0.3%,0.3%未合成未合成),),一旦合成一旦合成, ,即进入减数分裂期即进入减数分裂期, ,G G2 2期长短变化大期长短变化大; ;有丝分裂时间短有丝分裂时间短,1-2,1-2小时小时; ;减数分裂时间长减数分裂时间长,20,20多小时多小时, ,至几年。至几年。减数分裂与有丝分裂的比较减数分

21、裂与有丝分裂的比较共同点共同点: : 都是通过纺锤体同染色体的相互作用进行细胞都是通过纺锤体同染色体的相互作用进行细胞分裂。分裂。不同点：不同点：有丝分裂是体细胞的分裂方式，减数分裂主要有丝分裂是体细胞的分裂方式，减数分裂主要是产生配子的过程是产生配子的过程; ;减数分裂的生物学意义减数分裂的生物学意义保证了染色体数目在世代交替中的恒定保证了染色体数目在世代交替中的恒定, ,从而从而保证了物种相对的稳定性。保证了物种相对的稳定性。染色体间分离时的重组染色体间分离时的重组, ,提供了遗传的多样性提供了遗传的多样性; ;同源染色体配对时交换重组同源染色体配对时交换重组, ,提高了基因内、提高了基因

22、内、基因间重组的频率基因间重组的频率, ,加快了进化的速度加快了进化的速度。细胞周期调控中的一些关键问题：细胞周期调控中的一些关键问题：n细胞如何准确地复制遗传物质及传给子细胞如何准确地复制遗传物质及传给子细胞的？细胞的？n调节细胞周期的关键调控因子是什么？调节细胞周期的关键调控因子是什么？n细胞周期是如何调控的？细胞周期是如何调控的？第四节第四节 细胞周期调控细胞周期调控20012001年诺年诺贝尔贝尔生理生理学学/ /医医学奖学奖得主得主利兰利兰哈特韦尔哈特韦尔(美)保罗保罗纳西纳西（英）蒂莫西蒂莫西亨特亨特（英）控制细胞周期的基因，控制细胞周期的基因，其中一种被称为其中一种被称为“STA

23、RT” 的基因对的基因对控制各个细胞周期的控制各个细胞周期的最初阶段具有决定性最初阶段具有决定性的作用。的作用。发现了发现了CDK（周（周期蛋白依赖性激期蛋白依赖性激酶）。酶）。发现了调节发现了调节CDK的功能物质的功能物质CYCLIN.以人细胞系以人细胞系HeLaHeLa和非洲爪蟾为研究代表和非洲爪蟾为研究代表 MPFMPF，促成熟因子，促成熟因子，p32+p45p32+p45以裂殖酵母、芽殖酵母为研究代表裂殖酵母、芽殖酵母为研究代表-CDCCDC（cell division cyclecell division cycle）细胞分裂基因，）细胞分裂基因，p p3434cdc2 p p343

24、4cdc28以海胆卵为研究代表以海胆卵为研究代表-Cyclin A、B、C、D， 细胞周期蛋白细胞周期蛋白细胞周期调控因子的发现和研究：细胞周期调控因子的发现和研究： 细胞融合实验细胞融合实验研究者：研究者：1970年，年，Colorado 大学的大学的Potu Rao 和和 Robert Johnson 研究方法：研究方法：使用使用HeLaHeLa细胞系的融合细胞系的融合早熟染色体凝集早熟染色体凝集(premature chromosome condensation,PCC ）或称）或称染色体超前凝集。染色体超前凝集。一、一、MPF的发现及其作用的发现及其作用G G1 1期细胞与期细胞与M

25、M期细胞融合期细胞融合G1期期PCC为单线状，因为单线状，因DNA未复制。未复制。S S期细胞与期细胞与M M期细胞融合期细胞融合S期期PCC为粉末状，因为粉末状，因DNA由多个部位开始复制。由多个部位开始复制。G G2 2期细胞与期细胞与M M期细胞融合期细胞融合G2期期PCC为双线染色体，为双线染色体，说明说明DNA复制已完成复制已完成MPF的发现的发现 成熟促进因子成熟促进因子(maturation promoting factor，MPF）,早期称为早期称为M-期促进因子期促进因子(M-phase promoting factor, MPF)，是指，是指M期期细胞中存在的促进细胞分裂的

26、因子。细胞中存在的促进细胞分裂的因子。 非洲爪蟾和无脊椎动物的卵母细胞及早非洲爪蟾和无脊椎动物的卵母细胞及早期的胚细胞也证实期的胚细胞也证实MPF的存在的存在卵细卵细胞提胞提取物取物注射注射实验实验1X21988年年MallerMaller实验室的实验室的Lohka 将非洲将非洲爪蟾爪蟾卵卵的的MPF纯化，经鉴定由纯化，经鉴定由32KD和和45KD两种蛋白组成两种蛋白组成( (p p3232和和p p4545) )，二者结，二者结合表现出蛋白质激酶活性，可使多种蛋合表现出蛋白质激酶活性，可使多种蛋白质磷酸化。由此证明白质磷酸化。由此证明MPF是一种蛋白是一种蛋白激酶。激酶。1960s Lela

27、nd Hartwell以芽殖酵母以芽殖酵母, ,1970s Paul Nurse等人以裂殖酵母为实验等人以裂殖酵母为实验材料，利用温度敏感突变株，发现许多与细材料，利用温度敏感突变株，发现许多与细胞分裂有关的基因胞分裂有关的基因(cell division cycle gene，cdccdc) 。二、二、P34P34cdc2cdc2激酶的发现与激酶的发现与MPFMPF的关系：的关系：cdc2和和cdc28分别是裂殖和芽殖酵母细胞周期中重分别是裂殖和芽殖酵母细胞周期中重要的调控基因，都编码一个要的调控基因，都编码一个34KD的蛋白激酶，即的蛋白激酶，即p34cdc2和和p34cdc28，它们互为

28、同源物。，它们互为同源物。 突变型在限定的温度下无法分裂，停止在突变型在限定的温度下无法分裂，停止在G G2 2/M/M交交界处界处或或G1/S交界处。交界处。-两者与相关蛋白结合，如两者与相关蛋白结合，如p56cdc13 ，才具有激酶活，才具有激酶活性（性（ MPF中的中的p45 ？ p56cdc13 ）- p34cdc2特异抗体能够识别特异抗体能够识别MPF中的中的p32，并且，并且p34cdc2多肽片段增强多肽片段增强MPF 活性，证实活性，证实p34cdc2是是p32的同源物。的同源物。三、细胞周期蛋白的鉴定三、细胞周期蛋白的鉴定1983年年Timothy Hunt首次发现海胆卵受精后

29、，在其卵首次发现海胆卵受精后，在其卵裂过程中两种蛋白质的含量随细胞周期剧烈变化，裂过程中两种蛋白质的含量随细胞周期剧烈变化，故命名为周期蛋白故命名为周期蛋白(cyclin)。后发现各类动物来源的。后发现各类动物来源的周期蛋白周期蛋白mRNA均能诱导蛙卵的成熟。均能诱导蛙卵的成熟。实验方法实验方法获得同步化的受精的海胆卵细胞获得同步化的受精的海胆卵细胞在有放射性氨基酸的培养液中培养在有放射性氨基酸的培养液中培养每每1010分钟取一次样分离纯化蛋白质进行分析分钟取一次样分离纯化蛋白质进行分析实验结果实验结果周期蛋白的积累和降解周期蛋白的积累和降解在细胞周期中周期蛋白和在细胞周期中周期蛋白和MPF的

30、波动的波动 P45(MPF) -周期蛋白周期蛋白B- p56cdc13(酵母酵母)MPFMPF的结构组成的结构组成 Paul Nurse（1990）是是一种蛋白质激酶，一种蛋白质激酶，由两个不同的由两个不同的蛋白质（蛋白质（亚基）亚基）组成的异质二聚体，组成的异质二聚体，可使多种蛋白质磷酸化可使多种蛋白质磷酸化: :催化亚基催化亚基:p32, cdc2蛋白蛋白p34是是p32的同源物的同源物是丝氨酸是丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶苏氨酸蛋白激酶其活性有赖于周期蛋白，是周期依赖性蛋白激酶其活性有赖于周期蛋白，是周期依赖性蛋白激酶(cyclin-dependent protein kinases,CDK)

31、;调节亚基：调节亚基：p45,周期蛋白周期蛋白(cyclinB)是是p45 的同源物的同源物。MPFMPF的的结结构构组组成成周期蛋白依赖性激酶周期蛋白依赖性激酶CDK周期蛋白周期蛋白MPF=Cdc2+CyclinB周期蛋白分子结构的特点和类型周期蛋白分子结构的特点和类型特点：在细胞周期中呈周期性变化。特点：在细胞周期中呈周期性变化。均含有一段约均含有一段约100个氨基酸的保守序列，称为个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框周期蛋白框，介导，介导周期蛋白与周期蛋白与CDK结合，形成周期蛋白结合，形成周期蛋白- -CDK复合体复合体。作用作用：激活激活CDK，引导，引导CDK作用于不同的底物。作用于

32、不同的底物。类型：类型：G1期周期蛋白期周期蛋白： G1表达，表达， 在在G1、 S和和G1/S转化过转化过程中起调节作用；程中起调节作用；C C端含一段特殊的端含一段特殊的PESTPEST序列。序列。M期周期蛋白期周期蛋白：间期表达积累，在间期表达积累，在M M期表现出调节期表现出调节功能；功能；近近N端含端含9个氨基酸组成的破坏框，参与泛个氨基酸组成的破坏框，参与泛素介导的降解作用。素介导的降解作用。P426 图图12-34细胞周期蛋白分子结构特征细胞周期蛋白分子结构特征N端端9个氨基酸序列，即：个氨基酸序列，即：N端破坏框端破坏框(destruction box)周期蛋白框周期蛋白框C端

33、端PEST序列序列 100个氨基酸的保守序列个氨基酸的保守序列 不同周期蛋白的表不同周期蛋白的表达时期不同，与不同达时期不同，与不同的的CDK结合，调节结合，调节不同不同CDK激酶的活激酶的活性。性。 图图12-35 部分哺乳部分哺乳动物和酵母细胞周期动物和酵母细胞周期蛋白在细胞周期中的蛋白在细胞周期中的积累及其与积累及其与CDK激激酶活性的关系。酶活性的关系。四、四、CDK激酶和激酶和CDK激酶抑制物激酶抑制物Cdc2又被称为又被称为CDK1，可将特定蛋白磷酸化，促，可将特定蛋白磷酸化，促进细胞周期运行，被称作进细胞周期运行，被称作细胞周期引擎细胞周期引擎。- -将核纤层蛋白磷酸化导致核纤层

34、解体、核膜消失，将核纤层蛋白磷酸化导致核纤层解体、核膜消失，- -将将H1磷酸化导致染色体的凝缩磷酸化导致染色体的凝缩CDK是是细胞周期蛋白依赖性激酶细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclin-dependent kinase)，与，与细胞周期蛋白结合才具有细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性。激酶的活性。现有的现有的CDK共同点：共同点：均含有一段相似的激酶均含有一段相似的激酶结构域，这一区域有一段保守序列，即结构域，这一区域有一段保守序列，即PSTAIRE，（激酶活性区域）（激酶活性区域）与周期蛋白的结合有关。与周期蛋白的结合有关。1、CDK与与cdc2类似的类似的CDK蛋白分子图解蛋白分子图解13

35、表表12-2 12-2 某些某些CDK与周期蛋白的配对关与周期蛋白的配对关系及执行的功能系及执行的功能CDK种类种类 可能结合的周期蛋白可能结合的周期蛋白 执行功能的可能时期执行功能的可能时期CDK1（p34cdc2） A,B1,B2,B3 G2/MCDK2 A,D1,D2,D3,E G1/S,SCDK3 G1/SCDK4 D1,D2,D3 G1/SCDK5 D1,D3CDK6 D1,D2,D3 G1/SCDK7 HCDK8 CCDK122、CDKICDK inhibitor( CDKI): 细胞周期蛋白依赖性激酶细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子抑制因子, ,对细胞周期起负调控作用对细胞周期起负

36、调控作用. .目前发现的目前发现的CDKI分为两大家族分为两大家族: :Ink4(Inhibitor of CDK4): : p16ink4a、p15ink4b、p18ink4c、p19ink4d，特异性抑制，特异性抑制CDKCDK4cyclin D1、CDKCDK6cyclin D1复合物。复合物。CIP/Kip(Kinase inhibition protein)：p21cip1 (cyclin inhibition protein 1)、p27kip1、p57kip2等，抑制大多数等，抑制大多数CDK的激酶活性的激酶活性. .p21cip1抑制抑制CDK和和pCNAp21cip1主要对主

37、要对G1期期CDK激酶起抑制作用，激酶起抑制作用，还能与还能与DNA聚合酶聚合酶的辅助因子的辅助因子pCNA（proliferating cell nuclear antigen）结合，直接抑制结合，直接抑制DNA的合成。的合成。G1，S期期五、细胞周期运转调控五、细胞周期运转调控1、G1/S 期转化与调控期转化与调控- G1周期蛋白：周期蛋白：Cyclin D 、E 或或A-CDK激酶：激酶： CDK4，6，2- G1- CDK复合体：复合体： Cyclic D- CDK4，6 (D1-3, G1/S 期转化必需期转化必需) Cyclic E- CDK 2 （S期启动必需）期启动必需） Cy

38、clic A - CDK 2 （与（与DNA复制有关）复制有关） -降解作用：泛素化降解途径，降解作用：泛素化降解途径，PEST序列序列 G1期，在生长因子的刺激下，期，在生长因子的刺激下，cyclin D表达，并与表达，并与CDK4、CDK6结合，使下游的蛋白质如结合，使下游的蛋白质如Rb磷酸化，磷酸化，Rb释放出转录因释放出转录因子子E2F，促进许多基因的转录，如编码，促进许多基因的转录，如编码cyclinE、A和和CDK1的基因。的基因。（RbRb：成视网膜细胞瘤蛋白，：成视网膜细胞瘤蛋白，E2FE2F：转录因子）：转录因子） Cyclin D与与CDK结合使结合使Rb释放结合的转录因子

39、释放结合的转录因子E2F在在G1-S期，期， cyclinE与与CDK2结合，促进细胞进入结合，促进细胞进入S期。期。CyclinE的抗体能使细胞停滞于的抗体能使细胞停滞于G1期。期。2、 G2-M期转化与调控期转化与调控 在在G2-M期，期，cyclinB （或（或 cyclinA）与与CDK1结合，结合，CDK1使底物蛋白磷酸化、如使底物蛋白磷酸化、如将组蛋白将组蛋白H1磷酸化导致染色体凝缩，核纤磷酸化导致染色体凝缩，核纤层蛋白磷酸化使核膜解体。层蛋白磷酸化使核膜解体。作用底物作用底物 见见 430页的表页的表12-3M期期CDK1的激活的激活M期期CDK1的激活依赖于分裂期的激活依赖于分

40、裂期cyclin的积累。的积累。结合结合cyclinB的的CDK1被被Wee1/mik1激酶将激酶将CDK的的Thr14和和Tyr15磷酸化磷酸化, ,被被CAK激酶激酶(CDK activating kinase)将将Thr161的磷酸化的磷酸化, ,不具有活性，使不具有活性，使CDK-cyclin不断积累。不断积累。在在M期，期，Wee1/ mik1的活性下降，的活性下降，Cdc25c使使CDK1的的Thr14和和Tyr15去磷酸化，去除了去磷酸化，去除了CDK活化活化的障碍。的障碍。P431 图图12-38CDK1CDK1CDK1周期蛋白周期蛋白B/A周期蛋白周期蛋白B/A周期蛋白周期蛋

41、白B/A周期蛋白周期蛋白B/AThr14 PTyr15PThr161 PThr14Tyr15Thr161 PThr14Tyr15Thr161无激酶活性无激酶活性无激酶活性无激酶活性有激酶活性有激酶活性APC+Wee1/Mik1CAKCdc25c图图12-38 CDK1激酶活性综合调控示意图激酶活性综合调控示意图CDK1的激活需要的激活需要Thr14和和Tyr15去磷酸去磷酸化和化和Tyr161的磷酸化的磷酸化细胞周期运转到分裂中期后，细胞周期运转到分裂中期后，M期周期蛋白通过期周期蛋白通过泛泛素途径迅速降解。在中期当素途径迅速降解。在中期当CDK活性达到最高时，活性达到最高时，激活后期促进因子

42、激活后期促进因子APC，将，将泛素泛素连接在连接在cyclinB上，上，导致导致cyclinB被被蛋白酶体蛋白酶体（proteasome）降解，）降解，完成一个细胞周期。完成一个细胞周期。3、分裂中期向分裂后期转化中的分裂中期向分裂后期转化中的M期周期蛋白期周期蛋白APC: anaphase promoting complex泛素是由泛素是由76个氨基酸组成的高度保守的小分子多肽，个氨基酸组成的高度保守的小分子多肽，普遍存在于真核细胞，故名泛素。共价结合泛素的普遍存在于真核细胞，故名泛素。共价结合泛素的蛋白质能被蛋白酶体识别和降解，这是细胞内短寿蛋白质能被蛋白酶体识别和降解，这是细胞内短寿命蛋

43、白和一些异常蛋白降解的普遍途径。命蛋白和一些异常蛋白降解的普遍途径。26S蛋白酶体蛋白酶体是一是一个大型的蛋白酶，个大型的蛋白酶，由一个筒状的由一个筒状的20S的催化核心和一个的催化核心和一个称为称为PA700的调节的调节部分组成，部分组成，可将泛可将泛素化的蛋白质分解素化的蛋白质分解成短肽而成短肽而降解。降解。 周期蛋白的周期蛋白的泛素化泛素化降解途径降解途径多聚泛素化作用多聚泛素化作用(polyubiquitination)泛素泛素激活酶激活酶(ubiquitin-activating enzyme, E1) 泛素泛素结结合酶合酶(ubiquitin-conjugating enzyme,

44、 E2) 泛素泛素连接酶连接酶(ubiquitin ligase, E3) 促后期复合物（后期促进因子）促后期复合物（后期促进因子） (anaphase-promoting complex, APC) 蛋白酶体的降解作用蛋白酶体的降解作用Polyubiquitination多聚泛素化作用多聚泛素化作用通过调节通过调节APCAPC活性来调控周期蛋白活性来调控周期蛋白B B的降解和的降解和有丝分裂的退出：有丝分裂的退出：当当MPF(CDK)MPF(CDK)的活性在有丝分裂中期达到最高峰时的活性在有丝分裂中期达到最高峰时, , 它将它将APCAPC磷酸化并将其激活；磷酸化并将其激活；形成多聚泛素化的

45、周期蛋白形成多聚泛素化的周期蛋白B, B, 引起周期蛋白引起周期蛋白B B的降解；的降解；由于周期蛋白由于周期蛋白B B是是MPFMPF的一个必需亚基的一个必需亚基, , 它的降解势必导它的降解势必导致致MPFMPF(CDK)(CDK)的逐渐失活；的逐渐失活；在在G G1 1期的后期期的后期,APC,APC完全失活完全失活, ,使得周期蛋白使得周期蛋白B B的浓度升高的浓度升高, ,同时提高同时提高MPFMPF的活性的活性, , 以便进入下一个有丝分裂期。以便进入下一个有丝分裂期。中期中期后期后阶段后期后阶段末期末期间期间期前期前期多聚泛素链多聚泛素链周期细胞中周期细胞中M期周期蛋白水平的调节

46、期周期蛋白水平的调节真核生物细胞周期调控的关键时期：真核生物细胞周期调控的关键时期：三个关键的过渡：三个关键的过渡：G G1 1期期SS期：期：Cyclic D- CDK4，6， Cyclic E- CDK 2， Cyclic A - CDK 2G2 M期：期： cyclinB （A）- CDK1中期中期后期及胞质分裂期过渡：后期及胞质分裂期过渡： cyclinB的降解的降解两类周期蛋白两类周期蛋白-CDK-CDK复合物复合物: :G G1 1期周期蛋白期周期蛋白-CDK-CDK复合物复合物M M期周期蛋白期周期蛋白-CDK-CDK复合物复合物真核生物细胞周期调控模型真核生物细胞周期调控模型

47、图图12-11 真核生物细胞周期调控模型真核生物细胞周期调控模型 在复制期始点装在复制期始点装配配DNA复制复合复制复合物物激活激活G G1 1cyclincyclin- -CDKCDK复合物复合物S-cyclinS-cyclin- -CDKCDK复合物被复合物被抑制抑制G1后期激活后期激活S-cyclinS-cyclin- -CDKCDK复合物复合物S期期CDK复复合物激活复合物激活复制复合物制复合物七、生长因子对细胞增殖的影响七、生长因子对细胞增殖的影响单细胞生物的增值取决于营养，多细胞生物细胞的增值与单细胞生物的增值取决于营养，多细胞生物细胞的增值与细胞通信有关。细胞通信有关。生长因子：

48、是一类与细胞增殖有关的信号物质，已知几十生长因子：是一类与细胞增殖有关的信号物质，已知几十种，多数能促进细胞增殖，又称有丝分裂原（种，多数能促进细胞增殖，又称有丝分裂原（mitogen），），如如EGF、NGF。作用方式：主要通过旁分泌作用于邻近细胞。作用方式：主要通过旁分泌作用于邻近细胞。信号通路主要有：信号通路主要有：ras途径，途径，cAMP途径和磷脂酰肌醇途径。途径和磷脂酰肌醇途径。如通过如通过ras途径，激活途径，激活MAPK，MAPK进入细胞核内，激进入细胞核内，激活活c-myc，myc作为转录因子促进作为转录因子促进cyclin D、SCF、E2F等等G1-S有关的许多基因表达，细胞进入有关的许多基因表达，细胞进入G1期。期。图13-29 生长因子的作用机理有丝分裂的生物学意义 核内每个染色体准确地复制，有规则而均核内每个染色体准确地复制，有规则而均匀地分配到两个子细胞的核中，使两个子细匀地分配到两个子细胞的核中，使两个子细胞与母细